引水工程中輸水隧洞設(shè)計方法研究

樊有鋒 姬春利

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710001）

一、工程概況

某引水工程輸水線路中，其中有一條輸水隧洞長15km，受地形條件限制，經(jīng)多次現(xiàn)場探勘及專家聯(lián)合論證選定合適的隧洞進(jìn)、出口，設(shè)計比降i=1/1000，設(shè)計流量20m3/s，采用無壓重力輸水方式，隧洞斷面形式初擬為城門洞型。隧洞埋深一般100m～400m，進(jìn)、出口地形較好，隧洞沿線巖層巖性有泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、白云巖夾頁巖、泥巖、石英砂巖、長石砂巖以及粉砂質(zhì)泥巖等，隧洞沿線斷層及皺褶較發(fā)育，沿線巖溶水及基巖裂隙水均有分布。

二、斷面設(shè)計

根據(jù)選定的城門洞型隧洞，設(shè)計流量Q=20m3/s、底坡i=1/1000、糙率n=0.014的條件下初步擬定不同底寬的斷面，計算出相應(yīng)的水深及過水?dāng)嗝妫ＷC各斷面的凈空比為20%左右的情況下得出最優(yōu)的斷面。水力計算采用《水力學(xué)》中的明渠均勻流公式，各種斷面計算結(jié)果見表1。

表1 輸水隧洞不同底寬水力參數(shù)比較表

無壓隧洞過流能力計算采用明渠均勻流公式：

式中：

A——隧洞過水?dāng)嗝婷娣e，m2；

i——隧洞縱向比降，i=1/1000；

n——糙率，隧洞采用C30 鋼筋混凝土襯砌，n=0.014；

R——水力半徑，m；

根據(jù)表1 計算結(jié)果，按Ⅳ類圍巖分別對三種不同過水?dāng)嗝孢M(jìn)行配筋計算，得出C30 鋼筋混凝土襯砌厚度均為0.4m，配筋率按120kg/m3進(jìn)行計算，得出1km 長隧洞的石方洞挖、鋼筋混凝土二次支護的工程量，初步估算投資，結(jié)果見表2。

表2 隧洞不同過水?dāng)嗝婀こ塘考爸苯油顿Y對比表

從表2 可以看出，取1km 隧洞洞長計算結(jié)果為例，斷面2 的投資最大，斷面3的投資最小，但投資相差不大，僅相差1.84%。結(jié)合《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》（SL279-2016）相關(guān)規(guī)定：“斷面的高寬比宜為1.0～1.5，洞內(nèi)水位變化較大時宜采用大的比值”以及“高地應(yīng)力區(qū)若垂直地應(yīng)力大于水平地應(yīng)力，宜采用高度較大而寬度較小的斷面”，考慮到該隧洞相對埋深較大，因此隧洞斷面高寬比宜取大值。綜上所述，隧洞推薦采用城門洞型，過水?dāng)嗝娴讓?.0m，隧洞凈高為3.96m。

三、隧洞支護設(shè)計

設(shè)計過程中最大限度地利用和發(fā)揮圍巖的自承能力是隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)遵循的基本原則。隧洞承載主要靠圍巖自身，施工臨時支護采用的超前錨桿、全斷面系統(tǒng)支護錨桿、鋼支撐、掛網(wǎng)鋼筋、噴護混凝土、圍巖灌漿等，都是幫助圍巖提高自身承載能力的手段。根據(jù)不同工程圍巖類型及具體地質(zhì)參數(shù)采用不同支護方式。

（一）初期支護設(shè)計

輸水隧洞圍巖類別包括Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類，根據(jù)不同的圍巖類別，在開挖過程中，采取不同的初期支護方式。1.Ⅲ類圍巖：開挖后洞室成形好，巖體基本穩(wěn)定，僅存在局部不穩(wěn)定現(xiàn)象。噴10cm 厚C20 混凝土；系統(tǒng)錨桿Φ25@2.0m×2.0m，L=3.0m；掛網(wǎng)φ6.5@20cm×20cm；頂拱部分排水孔Φ50@3.0m×3.0m，L=3.0m。2.Ⅳ類圍巖：圍巖中裂隙發(fā)育，薄層、多節(jié)理，小斷層破碎帶穿過、地下水一般地段。噴12cm厚C20 混凝土；系統(tǒng)錨桿Φ25@1.5m×1.0m，L=3.0m；掛網(wǎng)φ6.5@20cm×20cm；鋼支撐16/18 型工字鋼、榀距1.0m；縱向Φ25 鋼筋連接，間距1.0m；頂拱部分排水孔Φ50@3.0m×3.0m，L=3.0m。3.V 類圍巖：巖體較破碎，不穩(wěn)定，變形破壞嚴(yán)重；大斷層通過、易塌、軟巖地帶，地下水活動劇烈。噴12cm 厚C20 混凝土；系統(tǒng)錨桿Φ25@1.0m×0.8m，L=3.0m；掛網(wǎng)φ6.5@20cm×20cm；鋼支撐16/18型工字鋼、榀距0.8m；縱向Φ25 鋼筋連接，間距1.0m；頂拱部分排水孔Φ50@3.0m×3.0m，L=3.0m。頂拱超前錨桿Φ25 鋼筋，L=4.5m，間距0.2m，排距3m。

（二）二次支護設(shè)計

輸水隧洞全洞段均采用C30 鋼筋混凝土襯砌，《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》（SL279—2016）規(guī)定，單層鋼筋混凝土襯砌厚度不宜小于0.3m，雙層鋼筋混凝土襯砌厚度不宜小于0.4m。根據(jù)具體地質(zhì)條件，Ⅲ類圍巖洞段采用單層配筋，混凝土襯砌、Ⅳ、Ⅴ類，全洞段鋼筋混凝土襯砌厚度300mm，Ⅳ類圍巖洞段采用雙層配筋，全洞段鋼筋混凝土襯砌厚度400mm，Ⅴ類圍巖洞段采用雙層配筋，全洞段鋼筋混凝土襯砌厚度500mm。

（三）隧洞細(xì)部設(shè)計

1.施工縫、變形縫止水設(shè)計。（1）對于圍巖性質(zhì)均一，溫度變化小、收斂變形較小的圍巖洞身段，根據(jù)襯砌臺車的長度一般按8m～12m 設(shè)一條環(huán)向施工縫，施工縫設(shè)橡膠止水帶，并用無毒閉孔泡沫板進(jìn)行填塞。（2）在隧洞進(jìn)、出口處、洞身與施工支洞交匯處以及洞內(nèi)斷層分布處或其他可能產(chǎn)生較大相對變位處設(shè)置永久縫，縱向鋼筋在永久縫處斷開，縫內(nèi)設(shè)橡膠止水，并用無毒閉孔泡沫板進(jìn)行填塞。2.回填灌漿設(shè)計。為了提高襯砌結(jié)構(gòu)的整體性和結(jié)構(gòu)承載能力，隧洞頂拱部120°范圍布置3 個～4 個回填灌漿孔，灌漿孔深入圍巖5cm～10cm，縱向排距3m，梅花形布置。灌漿壓力視混凝土襯砌厚度和配筋情況確定。3.固結(jié)灌漿設(shè)計。為了提高圍巖的整體性和抗變形能力，對Ⅴ類圍巖洞段隧洞全斷面進(jìn)行固結(jié)灌漿，每個斷面設(shè)6 個～10個固結(jié)灌漿孔，縱向排距3m，呈梅花形布置。灌漿孔深入圍巖2m～3m，對于極軟弱、破碎水量較大段考慮適當(dāng)加大孔深。4.排水孔設(shè)計。遵照“堵”“截”“排”相結(jié)合的防滲和排水設(shè)計原則，為有效減小地下水壓力，在地下水位較高處設(shè)置排水孔，梅花形布置，孔深為3m～5m，頂拱回填灌漿孔可兼做排水孔。

結(jié)語：由于自然地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不可預(yù)測性，輸水隧洞選線過程中充分做好地質(zhì)勘查工作，確保設(shè)計的準(zhǔn)確性，對特殊地質(zhì)段采用正對性的處理方案。設(shè)計工作者應(yīng)花費大量的時間和精力研究工程區(qū)的地形、地貌，根據(jù)地質(zhì)條件、設(shè)計流量、水流條件、輸水方式等因素確定隧洞體型，在保證質(zhì)量安全的前提下采用合理的隧洞支護方式，根據(jù)地質(zhì)條件進(jìn)行回填灌漿、固結(jié)灌漿，保證工程經(jīng)濟、安全。